天线技术的发展现状研究Word文档下载推荐.doc

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随着超大规模集成电路（VLSI，verylargescaleintegratedcircuits）以及甚大规模集成电路（ULSI，ultra-largescaleintegratedcircuits）技术的发展，传统的天线形式和功能在一定程度上不能跟上电子器件小型化及高集成度发展的需求，所以现代无线通信系统要求天线向小尺寸、宽频带（超宽带）、多频段工作等方向不断发展。

例如，在飞行器隐身应用领域，当飞行体本身的雷达散射截面减小后，具有小型化、高效率和低RCS特性的天线设计将日益成为飞行器电磁隐身技术研究和开发中备受关注的对象。

（1）天线的宽频带研究现状

在上个世纪五十年代以前，天线的带宽一般还不超过2:

1，而五十年代后，特别是Rumsey于1957年提出所谓频率无关天线的概念，以及随后的平面等角螺旋和对数周期结构天线的出现，把天线的带扩展到了40:

1或更宽。

以上的分析是假定了当频率变化时，耦合网络（变压器，巴伦等）或者天线尺寸是不会有任何的变化。

所以，当频率变化时，如果可以适当调整天线尺寸或耦合网络，那么，增加窄带天线的带宽是可能的。

对于宽频带天线而言，目前实现宽带化的主要技术手段有以下几个方面：

1）采用厚基板[3][4]

从物理意义上讲，增大基板厚度之所以能使频带加宽是由于厚度增加辐射电导也随之增大，辐射对应的品质因数，以及总的品质因数值下降。

在一些空气动力性能及重量不苛刻的场合，这种方法还是行之有效的。

该方法虽然容易实现，但是受到客观条件的限制，加大基片的厚度可增加频带宽度，但作用有限。

而基片过厚会导致基片厚度与波长之比过大，引起表面波激励，同时基片厚度增加，重量随之增加，所占的空间也加大。

在一些空气动力性能及重量不甚苛刻的场合，这种方法还是行之有效的。

当采用同轴馈电时，厚度的增加会增加探针的电抗，导致天线的效率下降[2]。

2）采用较小或较大的基板

当减小时，介质对场的“束缚”减小，易于辐射，且天线的贮能也因减小而变小，这样将使辐射对应的下降，从而使频带变宽。

但其潜力也是有限的，其最小值为1，即采用空气介质的情况。

低可减小表面波的影响，但天线的馈线（微带馈电）和贴片单元的宽度都较宽，需抑制的辐射损耗加大，且天线尺寸增大。

的增加使介质损耗变大，下降，也使频带展宽。

但的变小将使所需的基板尺寸加大，而的增加必然使天线的效率降低。

3）采用楔形或阶梯形基板

采用楔形或阶梯形基板[5]，是展宽微带天线频带简单而有效的方法。

这两种基板形状的变化导致频带展宽可以解释为由于两辐射端口处基板厚度不同的两个谐振器经阶梯电容祸合产生双回路现象造成的。

从参考文献[6]可知，采用阶梯基板的谐振器，VSWR<

2时的频带可达25%；

采用楔形基板谐振器，VSWR<

2的频带可达28%，而一个厚度相当一般矩形微带天线的频带为13%[6]。

4）贴片或接地板开槽技术

在辐射贴片上开槽，我们知道天线的电长度与频率成反比，电长度越长，频率就会相应地降低，若是通过此种方法延长了电流长度，那么谐振频率就降低了，使得实际的天线工作于更低的频率。

从而大大地减小了天线的尺寸。

同时通过开槽，可以使电流的流向发生改变，使天线的电流发生实质性地改变。

电流流向发生改变就可能使天线工作于不同的频段，若是频段之间隔得不是太远，那么几个相近的频段重合在一起，就相应地增加了带宽。

在文献[7]中，通过在矩形贴片开U型槽，如图1所示，使得在驻波系数在小于2的情况下带宽达到40%。

在圆形和三角形贴片中开U型槽也可得到类似结果[8,9]。

通过辐射贴片开槽，改变了贴片上的电流流向，同时也增加了电长度，既实现了天线小型化的目的，同时也有效地展宽了阻抗宽带，但是请注意，若是相互之间的工作频率隔得足够远。

则相应地就成多频段了。

所以贴片开槽既可以实现天线的小型化，也可以拓展带宽，甚至还可以实现天线多频段。

图1采用U型槽贴片微带天线

5）多谐振贴片

一个天线顶部贴片平面具有多个不同的辐射贴片，而每一个辐射贴片的工作频率不一样，所以大小也不一样。

即每个辐射贴片可以工作于相应的频段。

辐射贴片之间大都是通过相互耦合馈电，那么当各个辐射贴片之间的工作频率靠得很近时，带宽就被拓展了，这就相当于一个贴片天线具有多个贴片天线的功能。

多谐振贴片结构如图二所示。

图2具有多层贴片的微带天线

另一种展宽频带的有效办法是：

采用多层重叠的贴片，即把辐射贴片一层一层地堆叠起来。

因为每一个辐射贴片的工作频率不一样，所以大小也不一样。

上一层辐射贴片是通过下一层贴片电磁偶合而馈电，并且相互之间工作频率亦可以靠得很近，这同样就相当于一个贴片天线具有多个贴片天线的功能，从而有效地展宽了微带天线的阻抗带宽。

但这种层叠式天线的厚度却明显变大了。

也不再是传统意义上的小型化天线。

而且非常不适合对空间体积有严格限制的通信终端。

6）阻抗匹配技术[11]

阻抗匹配技术实际上这并不是天线本身的问题，而是馈线的匹配问题。

由于线极化微带天线的工作频带主要受到其阻抗带宽的限制，因此采用馈线匹配技术就可以使其工作于较宽的频域。

影响阻抗的一种最常见最直接的技术就是在微带天线的馈电部分使用阻抗匹配网络，为此，可使用调谐短线和1/4波长的变换器。

匹配网络应该安装在距离辐射单元尽可能近的地方，以便获得较高的总功率和带宽。

不过，匹配网络的不连续点也会辐射，从而使得天线的交叉极化特性变差。

匹配网络的复杂性和损耗限制了天线带宽只能达到10%-12%的带宽，Paschen用类似的技术实现了25%以上的带宽。

工作于主模的矩形或者圆形微带贴片天线，其等效电路可以用一个RLC谐振回路来描述。

在背馈的情况下，馈电探针的电抗作用应予考虑，当基板厚度时，馈电探针的作用更为显著。

若，其作用等效于一个电感，这个电感与谐振回路相串联，形成天线的输入阻抗。

为了使这个阻抗与馈线（如的馈线）在最大的频带范围内相匹配，需要进行网络综合，可以用计算机辅助设计方法实施最优设计。

对于圆形微带贴片天线，主要匹配元件是一个串联电容。

在天线工作频率上这个电容与馈电探针等效电感大致构成串联谐振。

串联谐振回路在谐振频率附近的电抗趋于抵消，使之避免了偏离谐振时电抗的迅速变化而展宽了频带。

7）电阻性加载技术

引入天线损耗是提高天线阻抗带宽的一种方法。

实践证明，通过加载片状电阻、在贴片上开L形槽以及在接地板上开槽等都可以实现天线的带宽展宽，这在文献[12]中都有详细的论述以及设计实例。

通常的加载微带天线是通过加载电阻的方法引入欧姆损耗，降低天线的品质因素，从而有效地增加天线的带宽。

一般来说，加载电阻微带天线是由加载短路销钉的微带天线演化而来的。

将加载的短路销钉换成一个低阻值（如1）的贴片电阻，这时天线的谐振频率和加载销钉时的谐振频率相比几乎不变，而天线的带宽则有显著的提高。

同时，由于加载微带天线引入欧姆损耗，天线的效率和增益相对于常规微带天线有所降低。

8）采用非线性材料基板[13,14]

采用非线性基板材料也是展宽微带天线带宽简单而有效的方法之一。

例如，采用铁氧体作为基板材料，其有效磁导率是随频率的升高而降低的。

由实验知铁氧体基板微带天线具有多些特性。

故若能得到接近理想的色散特性就有可能在几个倍频程内用一个铁氧体天线，即可以在不同频率上对应同一贴片尺寸，从而实现展宽微带天线的带宽。

同时，采用铁氧体作为基板还可以减小天线尺寸，以实现天线的小型化。

但是采用铁氧体由于其损耗较大，效率较低。

9）采用特殊形式

近年来，由于无线通信的发展需求，各种形状的微带贴片，例如蝶形、倒F形[15]、三角形、L形等，都被用来拓展天线频带。

此外，采用一些特殊的馈电形式也可以展宽天线带宽。

例如采用L形探针馈电的结构形式可以明显提高微带天线的相对带宽。

（2）天线的小型化研究现状

由于个人通信系统的发展，各种通信终端天线的需求持续增加。

手机、蓝牙、无线局域网等终端对天线的小型化和紧凑性有很高的要求，在这些应用中，小尺寸的天线是十分必要的。

对于天线的“小型化”，同样没有严格的定义。

一般地讲，线天线的小型化设计问题是十分困难的。

这是因为一方面当频率一定时，自由空间的波长不变，另一方面天线作为与自由空间实现能量耦合的元件，其电性能直接受到几何尺寸（电尺寸）的限制，结果是天线的方向性系数、效率、带宽和几何尺寸等构成矛盾的关系。

如何协调和折衷上述关系以获得最佳天线结构，则成为宽带小型化天线设计的核心问题。

正因为如此，近年来有关宽带小型化设计方法的研究成为了天线研究领域中的热门课题。

1）高介电常数基板法[16,21,22,23]

通常的微带天线是一个半波辐射结构，基本的工作模式是或。

对于采用薄基片（）的矩形微带天线，其谐振频率可由下式近似得出:

式中，是真空中光速，L为矩形贴片的长度，是基板材料的相对介电常数。

由上式可以看出，天线谐振频率与成正比，因此，对于一个固定的工作

频率，采用高介电常数基板可以有效降低天线的尺寸。

但是采用高介电常数基板也存在很大的问题，包括：

①可以激起表面波，使得天线的辐射效率减小、方向图严重恶化；

②很难实现阻抗匹配等。

目前，人工高磁导率材料在天线的小型化中起到重要作用，国内外已经进行了很多研究[13,14,24,25,26]。

高介电常数的铁氧体，能很好的实现小型化，且在较宽频带范围内频率可调，但铁氧体在微波频段损耗很大。

有机高分子磁性材料在宽温度范围内电感和磁性能稳定，但损耗大、增益低。

高温超导材料HTS（（hightemperaturesuperconductor）及光子带隙（Photonicband-gap,PBG）有极高的表面电阻，能有效抑制表面波，减小表面损耗，解除了用较厚基片的限制，且可提高增益，减弱阵源之间的互耦，使得系统小型化、高集成度、高特性成为可能，但价格高昂不适合做产品使用。

2）加载技术

用包括导体在内的集总元件、高介电常数材料对天线加载，以及采用接地平板和利用天线周围的环境等是实现天线小型化设计的主要手段，这些技术已在天线工程特别在移动通信领域中得到了广泛应用。

其中最为感兴趣的问题可能是将这些技术结合在一起用于天线的设计。

①无源集总元件的加载是最为直接和最为简单的加载技术，也是工程中最为普遍采用的方法。

可通过在天线的适当位置接入电阻、电抗或导体来构建。

由于天线长度远小于半波长时将呈现出很强的电抗性输入阻抗，加载可以对其进行补偿，改善天线中的电流分布，从而达到改变天线的谐振频率或者在同样的工作频率下降低天线的高度以及改变天线的辐射方向图等目的。

但如果加载的元器件是有耗的，则将使天线的辐射效率降低。

②利用短路技术来减小天线尺寸非常常见。

在微带天线上加载短路探针,通过与馈点接近的短路探针在谐振空腔中引入耦合电容以实现小型化。

图3是采用短路针技术的小型化微带天线，这种情况类似折叠单极子的特性，谐振电长度得到了缩减。

图3采用短路针技术的小型化微带天线正面和侧面图

3）曲流技术

曲流技术就是我们通常所说的开槽技术，既可以在地板上开槽也可以在贴片上开槽。

贴片上开槽主要是指在所要求设计的天线的工作频率已经确定的情况下，由真空中光速的传播定理和频率的关系可知，天线的尺寸大小就随之可以确定了。

天线的电长度与频率成反比，电长度越长，频率就会相应地降低，若是通过某种方法延长了电流长度，那么谐振频率就降低了，在固定天线尺寸的情况下，使天线的实际工作频率降低下，也就是说固定天线尺寸，利用开槽技术使天线工作于更低频率，从而实现了小型化的目标。

研究天线的实质也就是改变其表面的电流特性。

在贴片上开槽，可以延长和改变电流在贴片的传播路径，从而增加了天线的电长度，使天线体积进一步减小。

地板开槽原理亦如此。

据查阅大量的文献资料，文献[17]给出了一种同时既使用顶部贴片曲流开槽技术，又使用短路销钉加载技术所设计的天线。

这样天线的小型化效果将更好。

同时也可以实现宽频带。

4）附加有源网络

缩小无源天线的尺寸，会导致辐射电阻减小，效率降低，可利用有源网络的放大作用及阻抗补偿技术弥补由于天线尺寸缩小引起的指标下降。

有源天线具有以下良好特性：

（1）工作频带宽，利用有源网络的高输出阻抗、低输入阻抗，天线带宽高低端频比可以达到20～30。

（2）增益高（可达10dB以上），方向性好。

（3）便于实现阻抗匹配。

（4）易实现天线方向图，包括主波瓣方向、宽度、前后辐射比等的电控。

（5）有源天线阵具有单元间弱互耦的潜在性能。

但有源天线需要考虑噪声及非线性失真问题。

5）分形技术

分型理论由Manderblot在1975年提出，具有分型结构的物体一般都有比例自相似性和空间填充性的特点，应用到天线设计上可以实现天线多频段特性和尺寸缩减特性。

国内外对sierpinski单极子、Koch曲线单极子、Koch贴片等分形结构的天线作了大量研究工作，证实了分形结构的天线具有良好的尺寸缩减特性，可以在有限的空间内大幅度提高天线效率。

文献[18]对Hilbert结构分形天线减小天线尺寸进行了详细的讨论。

6）采用PIF或PIL结构

平面倒F天线（PIFA）和平面倒L天线（PILA）可以看作是空气介质的微带天线。

PIFA也可以看作是折叠的PILA.。

PIFA和PILA具有小型、宽频带、高效率等特点，是采用厚基片、低介电常数、短路加载的典型天线，可以实现天线的小型化。

近来，PIAF在无线通讯终端（如手机）上得到广泛应用。

7）左手材料

左手材料（Lefthandedmetamaterial）是一种介电常数和磁导率同时为负的人工周期结构材料，电场分量、磁场分量与波矢满足左手定则，在其中传播电磁波的群速度与相速度方向相反，从而呈现出许多反常的物理光学现象，如负折射效应、反常多普勒效应、完美透镜效应、反常Cherekov辐射等。

在天线设计中，特别是微带天线中，使用左手材料可以提高天线带宽，并减小天线尺寸[20]，改善天线的辐射特性。

文献[19]中，设计并仿真了一种在聚四氟乙烯微带介质基片两面分别腐蚀出带状周期性排列金属杆和开口圆形谐振环（SRRs）的LHM材料,将该材料覆盖于普通矩形微带天线上,能使微带天线的电压驻波比带宽提高约80%,增益也相应提高1.7dB,同时天线的前向辐射增强而侧向辐射明显减弱。

8）采用分层磁性电介质实现天线的宽带化和小型化[13,14,24,25,26]

磁性电介质材料（MagnetodielectricMaterials）与常用的电介质材料不同，常用的电介质材料，而磁性电介质材料，所以天线的设计公式为：

所以，使用磁性电介质材料（）可以在一定程度上减小天线尺寸，实现小型化[24,25,26]。

同时减小使用高介电常数的相同尺寸天线的不利影响。

过去，主要只采用高介电常数的材料来实现天线的小型化，但是这种材料制作的天线会使天线的能量存储在天线的近场区域，这样还反而减小了天线的工作带宽。

引入相对介电常数及相对磁导率高的人工材料，同样可以做成比相同尺寸高相对介电常数的天线减少负面影响。

能减少能量的存储，进而能够增大带宽。

（3）天线智能化的研究现状

随着无线传感网以及物联网概念的提出和研究，未来的无线通信系统将更广泛地使用阵列天线，智能天线也是阵列天线的一种，它是智能无线电和天线的结合。

智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。

智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。

在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。

三、天线的应用前景

天线作为发射和接收电磁波的载体，其应用是非常广泛的，不仅可以应用于民用通信，如电视天线（八木天线、鱼骨天线、卫星电视接收天线）、移动联通基站天线等随处可见，它给人们的日常生活带来了很大的方便。

还可以应用于军用通信方面，如外太空探测及通信卫星、雷达、电子对抗等。

早在“二战”时期，天线就已经应用于军事作战中，可见天线在军事领域中应用的重要性。

同时，我们可以合理的预测，在21世纪天线的应用还会更加广泛，还会更加成熟。

下面讨论天线在未来几十年中的应用前景。

（1）手机天线

在移动手机里，天线直接影响了手机的可通讯能力，直接决定了手机的发射和接收性能，甚至天线设计的好坏决定了该手机在整个市场的生存空间。

在国外，品牌手机设计生产厂家普遍比较重视天线的前期研发与设计，他们多与参股与控股的形式培养一天线设计与生产研究所或专业电小天线设计公司，NOKIA在国内控制了飞创，MOTOROLA在国内参股了加利，在这种环境下，专业的天线设计公司为大品牌的手机提供了足够的天线设计保障，也为手机天线的不断发展提供了保障。

无线电话或手机的发明可以说是无线通信应用于民用的一个新的起点，虽然已经日渐成熟，但仍然有很大的发展空间和应用前景。

如近两年国内发展起来的3G，虽然在很多城市都建设了站点，但是由于价格的原因，其普及程度还不是很高，所以其应用的前景还很广阔。

下面简单介绍一下“3G”的概念。

“3G”（3rd-generation）或“三代”是第三代移动通信的简称，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。

3G服务能够同时传送声音（通话）及数据信息（电子邮件、即时通信等）。

代表特征是提供高速数据业务。

相对第一代模拟制式手机（1G）和第二代GSM、CDMA等数字手机（2G），第三代手机（3G）一般地讲，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统,未来的3G必将与社区网站进行结合，WAP与web的结合是一种趋势。

3G与2G的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。

所以3G手机需要较佳的天线，规格也讲究，效率要求也高，尤其要求对人体影响必须减少。

过去GSM手机采用TDMA技术，随时间调变，只有8分之1有讯号；

然而进入3G时代采用的CDMA技术，为连续调变，对人体的影响就比较大；

因此手机天线就有较严格的要求。

这就促进了手机天线的进一步发展。

根据上面分析以及目前的发展状况来看，手机天线的设计主要朝着以下几方面发展：

1）低姿态，低剖面的天线的广泛应用。

该种天线的设计形式是在普通的PIFA天线的基础上改进而成，在更底的剖面完成的设计，该种设计思路借鉴PIFA与MONOPOLE的优缺点，广泛应用于超薄机型以及空间比较紧的机型。

高辐射效率,抗干扰能力强的手机天线将会是近期设计的重点,在一定的环境中,如何提高天线的抗干扰能力是目前研究的热点。

2）未来手机将发展成为有更多的NOTEBOOK的特性，在很小的空间内多支天线的共存,同时UWB超宽带天线将会有更大的空间。

当然UWB天线的实行市场化还需要良好的阻抗分支及匹配网络的设计。

手机在近期将会把全球定位（GPS）、数字视频广播（DVB,DigitalVideoBroadcasting）、全球微波互联接入（WIMAX,WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess）、无线宽带（WIFI）等新技术钠入其中，增加手机的卖点。

这些功能将对天线的性能有更高的要求。

3）主动天线能够自动切换频段

目前手机天线基本上是用被动天线形式设计，微带天线有它的不足，现阶段愈是高阶的手机，支持的频段愈多，4频或5频手机就很风行；

然而使用上，其实不管在哪里，都只有使用到单频而已，其它3频就是浪费，尤其对于手机愈做愈小的需求上，更可以思考是否有改善空间？

事实上，若强化天线技术，这种浪费是可以改变的，友金因而投入开发主动天线技术，能够随需求切换不同的频段，届时手机天线仅需提供单频，就不需要内建4频天线模块[9]。

（2）无线传感网络（WSN,WirelessSensorNetwork）

无线传感器网络（又称“泛在网”）是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。

它是由许许多多功能相同或不同的无线传感器节点组成，每一个传感器节点由数据采集模块（传感器、A/D转换器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）和供电模块（电池、DC/AC能量转换器）等组成。

无线传感网络技术应用可以涉及到人类生活和社会活动的所有领域。

基于该项技术，韩国、美国、日本诸国正在搭建他们理想中的“泛在城市”梦。

2002年中国科学院率先进入该研究领域后，我国在这个领域的研究和应用，取得了一些有意义的成果。

如中科院上海微系统所应用传感器网络技术于上海浦东机场安防，也取得了较好的示范效果。

在理论和应用两个层面，中国无线传感网络技术与国际上的差距不大。

但是在核心技术与应用方面，美国、日本、韩国处于领先地位。

中国对无线传感器网络的发展很重视，近年来，国家自然基金、863、973项目、科技支撑项目、重大科技专项都给予了这个领域大力的支持。

由此可见，我国的无线传感网络技术与国际水平相比还不是很发达，国家也投入了大量的资金来发展该技术。

通信模块（无线收发器）作为WSN的重要组成部分，天线自然是必不可少的。

WSN性能的优良，在一定程度上也取决于天线的性能。

所以，在WSN发展的推动下，天线技术也必须得以发展和提高。

这是21世纪世界科技发展的新领域，紧紧抓住这个机会，我国的天线技术也会有更大的发展前景和空间。

（3）物联网（